智能多參量變送器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

上海自?xún)x公司介紹了一種以 MSP430 單片機(jī)為核心的智能多參量變送器。 具體闡述了該變送器的工作原理、總體設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)框圖。該變送器可適用于測(cè)量天然氣、過(guò)熱和飽和蒸汽、各種液體和各種標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量，并且可以和其它設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)流體測(cè)量與控制的智能化和多樣化。

本文介紹用 MSP430F5418A 單片機(jī)開(kāi)發(fā)的新型智能多參量變送器。 其工作原理是：以高精度且?guī)ё陨頊囟妊a(bǔ)償?shù)碾娙菔讲顗簜鞲衅?、擴(kuò)散硅壓力傳感器與高精度熱電偶為測(cè)量元件，通過(guò)自動(dòng)測(cè)量流體的差壓、壓力、溫度，并通過(guò)計(jì)算和多種補(bǔ)償，得到并輸出流體的體積流量、質(zhì)量流量、體積積流、質(zhì)量積流等。 本變送器采用了數(shù)據(jù)校正、數(shù)字濾波、多輸出形式等技術(shù)，使其能更適應(yīng)各種復(fù)雜的工況環(huán)境。

1．1 智能多參量變送器總體功能設(shè)計(jì)

智能多參量變送器組成框圖如圖 1 所示，此變送器共有四種輸入量，分別為 DS18B20 溫度單總線信號(hào)輸入（用于補(bǔ)償電容式差壓傳器）、 電容式差壓傳感器的信號(hào)輸入、PT1000 熱電阻模擬量輸入以及擴(kuò)散硅壓力傳感器的模擬量輸入。 變送器輸出量為4～20mA 模擬量，通信采用兩線 HART 通信協(xié)議，即在 4～20mA的模擬信號(hào)上疊加FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）數(shù)字信號(hào)，在 2 線供電回路上可以兼容模擬和數(shù)字 2 種信號(hào)。

該變送器采用 LCD 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，LCD 為字段顯示（如圖 2）， 采用 8com 動(dòng)態(tài)顯示，以合泰 HT1622 作為驅(qū)動(dòng)芯片。主顯示區(qū)為 8 位 8 段，字高約 10mm。輔助顯示區(qū)為 6 位 8 段，字高約為 6～8mm。多參量變送器的各項(xiàng)流量測(cè)量的參數(shù)設(shè)定主要是通過(guò)手持式 HART 通信儀或上位機(jī)來(lái)設(shè)定；同時(shí)也可以通過(guò)干簧管或紅外遙控來(lái)修改設(shè)定。

1．2 總體特點(diǎn)

1）超低功耗。 傳感器調(diào)理電路及主板處理電路均選用超低功耗元器件，使得整機(jī)達(dá)到低功耗狀態(tài)。 完全能滿(mǎn)足儀表的各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量與儀表的認(rèn)證。

2）測(cè)量誤差自動(dòng)修正。 在此多參量變送器中，對(duì)三個(gè)傳感器都有進(jìn)行補(bǔ)償與校準(zhǔn)，使得測(cè)量更加的準(zhǔn)確。 在流量測(cè)量當(dāng)中，通過(guò)熱電阻 PT1000 進(jìn)行溫度測(cè)量，再進(jìn)行軟件的補(bǔ)償修正，可以大大提高變送器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及自適應(yīng)能力。

3）多參量測(cè)量。 可以同時(shí)對(duì)多個(gè)參量進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)在軟件當(dāng)中增加多種數(shù)字濾波方法， 以將工況現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)流量測(cè)量的干擾降到非常低。

4）模擬量輸出及總線通信。 可以輸出工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通用的 4～20mA模擬量信號(hào)， 同時(shí)也可以通過(guò)使用 HART 通信協(xié)議與其他智能設(shè)備與儀器組成大規(guī)模的流量測(cè)量與控制系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 MCU 選型

通過(guò)對(duì)變送器所開(kāi)發(fā)的功能及所需芯片片內(nèi)資源進(jìn)行深入研究后，非常終選用TI公司的MSP430F5418A為此變送器 的MCU。MSP430F5418A 芯片是 TI 公司推出的一個(gè)強(qiáng)大的16 位RISC CPU，具有超低功耗微、存儲(chǔ)空間大、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。MSP430F5418A 微控制器的片內(nèi)資源十分豐富，具有 16KB字節(jié)的SRAM，128K 字節(jié)的FLASH，67 個(gè) I ／ O 引腳，三個(gè) 16 位定時(shí)器，一個(gè)高性能的 12 位模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），多達(dá)四個(gè)通用串行通信接口（USCI），一個(gè)硬件乘法器等。MSP430F5418A 除正常工作模式外，還有多達(dá) 5 種的低功耗模式設(shè)置，通過(guò)不同設(shè)定來(lái)讓其工作時(shí)的功耗達(dá)到非常低。

2．2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

差壓傳感器使用的為上海自動(dòng)化儀器公司生產(chǎn)的一款性能穩(wěn)定，精度高的金屬電容差壓式傳感器，差壓傳感器調(diào)理電路使用的電源來(lái)自于 4～20mA 環(huán)路當(dāng)中，因此該調(diào)理電路的功耗可以滿(mǎn)足在回路當(dāng)中 4mA 以下可正常工作的要求，同時(shí)電路須要采用隔離措施，將傳感器調(diào)理電路與主板電路進(jìn)行隔離，以提高穩(wěn)定及抗干擾性能。 差壓調(diào)理電路如圖 3 所示，主要原理：通過(guò)CPU 輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的周期信號(hào)來(lái)對(duì)差壓傳感器 H 端與 L 端的測(cè)量選擇，根據(jù)電容的充放電轉(zhuǎn)換，將電容信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào) f，頻率信號(hào) f 經(jīng)過(guò)隔離芯片傳送到主芯片當(dāng)中，MCU 通過(guò)高精度計(jì)數(shù)器精確統(tǒng)計(jì)出脈沖個(gè)數(shù)，后可得出精準(zhǔn)頻率。 再通過(guò)頻率與差壓之間的關(guān)系準(zhǔn)確地測(cè)量出差壓值。

溫度與壓力測(cè)量調(diào)理電路如圖 4 所示，PT1000 熱電阻與擴(kuò)散硅壓力傳感器的信號(hào)采集方式是一致的， 是通過(guò)ADI 公司的AD7794 芯片來(lái)處理完成。AD7794 是一款具有 6 通道、低噪聲、低功耗、24 位 Σ－Δ 型的 ADC 芯片。 PT1000 熱電阻與壓力傳感器均是由芯片內(nèi)部輸出 1mA 精密恒流源來(lái)作為激勵(lì)，測(cè)量的基準(zhǔn)電壓是從一個(gè)與之串聯(lián)的高精密低溫漂的 1kΩ 電阻上獲得，通過(guò)比率式測(cè)量，使得恒流源的波動(dòng)對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響。

2．3 4～20mA 模擬量輸出及 HART 通信電路設(shè)計(jì)

4～20mA 作為測(cè)量結(jié)果的模擬量輸出是通過(guò) AD421 接收MSP430 傳送的數(shù)字信號(hào)來(lái)轉(zhuǎn)換得到。 HART 通信電路主要由現(xiàn) MSP430、A5191HRT和 AD421組成。 A5191HRT 接收疊加在 4mA～20mA 環(huán)路上的 FSK 信號(hào)，解調(diào)后傳輸給 MCU 或?qū)CU 產(chǎn)生的應(yīng)答幀信息調(diào)制成 FSK 信號(hào)經(jīng)波形整形器后由AD421 疊加在 4～20mA 環(huán)路上發(fā)送出去。圖 5 中，A5191HRT與 MCU 的接口信號(hào)包括載波檢測(cè) OCD、 解調(diào)輸出 ORXD、調(diào)制輸入 ITXD、請(qǐng)求發(fā)送 INRTS。 HART 調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)源于 MSP430 內(nèi)部分頻出來(lái)的 460．8kHz 頻率信號(hào)。

2．4 LCD 數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計(jì)

因MSP430F5418A 芯片不存在 LCD 驅(qū)動(dòng)模塊，非常終選用臺(tái)灣合泰HT1622作為L(zhǎng)CD的驅(qū)動(dòng)芯片。HT1622 為256 段（32x8）內(nèi)置存儲(chǔ)器的多功能 LCD 驅(qū)動(dòng)器，支持串行通信，蜂鳴器，看門(mén)定時(shí)器或時(shí)基定時(shí)器功能。與MCU 的通信線其只需要3 根，非常的簡(jiǎn)單。同時(shí)它內(nèi)部包含省電指令，通過(guò)設(shè)定可以有效降低芯片功耗。

3 軟件設(shè)計(jì)

多參量變送器的主程序流程圖如 圖 6 所 示。 首先初始化各個(gè)參數(shù)，進(jìn)入測(cè)量計(jì)算周期后，先讀取差壓，壓力及PT1000 傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，后判定測(cè)量的數(shù)據(jù)正常與否，當(dāng)數(shù)據(jù)正常后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與補(bǔ) 償， 而后計(jì)算多種流量參數(shù)并進(jìn)行LCD 顯示和數(shù)據(jù)輸出與HART 通信。

本多參量多變器已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)用， 上海自?xún)x公司通過(guò)與上位機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)了多種類(lèi)型流體的測(cè)量，并在 HART 總線協(xié)議下，與現(xiàn)場(chǎng) 20 臺(tái)各類(lèi)變送器與控制器實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)量與控制系統(tǒng)的集成。